Arduino Lektion #112: Sensor MQ-9 für Kohlenmonoxid und entflammbare Gase

In diesem Beitrag möchte ich dir den Gassensor MQ-9 zum Messen von Kohlenmonoxid und entflammbare Gase vorstellen.

Was ist Kohlenmonoxid?

Das Gas Kohlenmonoxid (auch als Kohlenstoffmonoxid bezeichnet) ist hochgiftig, geruch-, farb- und geschmacklos. Das Gas entsteht bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Stoffen unter geringer Sauerstoffzufuhr.

Einen ausführlichen Beitrag zu diesem Gas findest zu zbsp. auf Wikipedia.org unter

Seite „Kohlenstoffmonoxid“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 3. Mai 2020, 22:21 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Kohlenstoffmonoxid&oldid=199591031 (Abgerufen: 27. Juni 2020, 17:43 UTC)

Was sind entflammbare Gase?

Der Sensor erkennt neben Kohlenmonoxid auch andere entflammbare Gase, zbsp. Methan und Autogas (LPG).  Das Gas Methan wird auch als Erdgas bezeichnet und du findest dieses zbsp. in einer Heizungsanlage, welche mit Gas betrieben wird. Das Autogas findest du, wie der Name es erahnen lässt in Gas betriebenen Kraftfahrzeugen.

Bezug

Diesen Sensor habe ich über ebay.de für knapp 4,5€ inkl. Versandkosten erstanden.

Technische Daten des Sensors MQ-9

• Betriebsspannung 5V
• Heizwiderstand 31 Ω  ± 3Ω
• Stromaufnahme des Heizelements ≤ 180mA
• Heizspannung 5V ± 0,1V / 1,5V ± 0,1V
• Heizenergieleistung max. 350mW
• Genauigkeit ≥ 3 %
• Antwortzeit ≤ 1sek.
• Ansprechzeit nach dem Einschalten ≤ 30sek.

Aufbau & Schaltung

Die Platine des Gassensors MQ-9 verfügt über 4 Pins, welche wie folgt mit dem Arduino verbunden werden.

Sensor MQ-9	Arduino
VCC	5V
GND	GND
DO	digitaler Pin D9
AO	analoger Pin A0

Da das Heizelement eine Leistungsaufnahme von max. 180 mA bei 350 mW erreichen kann empfehle ich den Einsatz einer externen Stromversorgung, denn damit kann man eventuelle Spitzen ausgleichen und somit den Mikrocontroller entlasten, bzw. die Lebensdauer des selbigen verlängern.

Auf der Rückseite des Sensors findest du ein Drehpotentiometer, mit welchem du den Schwellwert für das Aktivieren / Deaktivieren des digitalen Signales einstellen kannst.

In meinen Tests ist diese Einstellung jedoch nicht ausreichend, ich würde daher auf die echten Messwerte setzen und diese dann über eine bedingte Abfrage (if-then-else) andere optische oder akustische Aktoren steuern.

Aufbau der Schaltung

In dieser Schaltung ist der digitale Pin des Gassensors nicht angeschlossen, da wir zunächst nur die Werte des Sensors messen wollen.

Programmieren

Im Nachfolgenden bediene ich mich der Anleitung von How to Calibrate & Use MQ9 Gas Sensor w/ Arduino © GPL3+. Jedoch werde ich den Quellcode etwas ändern, so dass die Werte im seriellen Plotter der Arduino IDE grafisch angezeigt werden können.

Der serielle Plotter der Arduino IDE kann seit dem Update 1.8.10 mehr als nur eine Linie im Diagramm anzeigen.

Kalibrieren des Sensors MQ-9 am Arduino

Damit wir korrekte Werte messen können, müssen wir zunächst den IST – Zustand messen, um dann ermitteln zu können, inwieweit der Wert später abweicht.  Hier verwende ich den Sketch aus dem oben verlinkten Beitrag. Dort hatte sich jedoch ein kleiner Fehler eingeschlichen, welchen ich bereinigt habe.

void setup() { 
 Serial.begin(9600); 
} 
void loop() { 
 float sensor_volt;  
 float RS_air; //  RS in reiner Luft
 float R0;  // R0 in 1000 ppm LPG 
 float sensorValue = 0; 

 //ermitteln von 100 Sensorwerten
 for(int x = 0 ; x < 100 ; x++) { 
   sensorValue = sensorValue + analogRead(A0); 
 } 
 //den Durchschnittswert berechnen
 sensorValue = sensorValue/100.0; 
 
 sensor_volt = (sensorValue/1024)*5.0; 
 RS_air = (5.0-sensor_volt)/sensor_volt; // Depend on RL on yor module 
 R0 = RS_air/9.9; // According to MQ9 datasheet table 
 Serial.print("sensor_volt = "); 
 Serial.print(sensor_volt); 
 Serial.println("V");
 Serial.print("R0 = "); 
 Serial.println(R0); 
 delay(1000); 
}

messen von Gasen

Nachdem wir nun den Wert „R0“ ermittelt haben, müssen wir diesen in den Quellcode einsetzen und können dann die Gase messen.

void setup() { 
 Serial.begin(9600); 
} 
void loop() { 
 //der ermittelte Durchschnittswert
 float R0 = 0.91; 
 //lesen des aktuellen Wertes
 int sensorValue = analogRead(A0); 
 //ermitteln der Spannung an der Heizspule
 sensor_volt = ((float)sensorValue / 1024) * 5.0; 
 float RS_gas = (5.0 - sensor_volt) / sensor_volt; 
 float ratio = RS_gas / R0; // ratio = RS/R0 
 
 //damit wir die Daten im seriellen Plotter der Arduino IDE (ab Version 1.8.10) anzeigen lassen
 //können, müssen wir die Daten in einem bestimmten Format liefern
 Serial.println("sensor_volt RS_ratio Rs/R0"); 
 String data = String(sensor_volt, DEC)+ " " + String(RS_gas, DEC) + " " + String(ratio, DEC);
 Serial.println(data);
 //eine kleine Pause von 350ms
 delay(350); 
}

Alternativ können wir in der Setup Routine das Ermitteln des Wertes R0 aufnehmen, somit haben wir etwas mehr Flexibilität in unseren Sketch / Programm integriert.

In der Funktion „setup“ durchlaufen wir die Schleife 500-mal und ermitteln danach den Durchschnittswert und berechnen wie zuvor den R0 Wert. Diesen Wert verwenden wir dann beim Auslesen der Sensordaten in der Funktion „loop“.

float R0 = 0; 
float sensor_volt = 0;

void setup() { 
 Serial.begin(9600); 
 
 //R0 ermitteln
 float RS_air; //  RS in reiner Luft
 float sensorValue = 0; 

 //ermitteln von 500 Sensorwerten
 for(int x = 0 ; x < 500 ; x++) { 
   sensorValue = sensorValue + analogRead(A0); 
 } 
 //den Durchschnittswert berechnen
 sensorValue = sensorValue/500.0; 
 
 sensor_volt = (sensorValue/1024)*5.0; 
 RS_air = (5.0-sensor_volt)/sensor_volt;
 R0 = RS_air/9.9; // gemäß des Datenblattes zum Gas Sensor MQ9
} 


void loop() { 
 int sensorValue = analogRead(A0); 
 float sensor_volt = 0;
 sensor_volt = ((float)sensorValue / 1024) * 5.0; 
 float RS_gas = (5.0 - sensor_volt) / sensor_volt;
 float ratio = RS_gas / R0;

 Serial.println("sensor_volt RS_ratio Rs/R0"); 
 String data = String(sensor_volt, DEC)+ " " + String(RS_gas, DEC) + " " + String(ratio, DEC);
 Serial.println(data);
 delay(350); 
}

Beispiel 1 – messen der Atemluft

Der menschliche Körper konsumiert Sauerstoff und das Blut gibt in diesem Zuge Kohlendioxid durch die Atemluft wieder ab. Dieses können wir mit dem Sensor MQ-9 messen.

In der Atemluft sind noch weitere Gase enthalten zbsp. Stickstoff und Sauerstoff jedoch können wir diese Gase nicht messen.

Video

Diagramm der Messwerte

Beispiel 2 – messen der Auspuffgase eines Ottomotors

Im nachfolgenden möchte ich nun aufzeigen wie sich der Sensor MQ-9 an einem Ottomotor verhält. (Die Auspuffgase enthalten unter anderem Kohlenmonoxid.)

Ich verwende hier meinen Volkswagen Fox 1.4l (Baujahr 2006).

Grafik

Fazit

Der Sensor MQ-9 ist einfach zu programmieren, die Kalibrierung ist auch recht einfach. Daher ist dieser Sensor gut für Anfänger geeignet.

Jedoch ist dieser Sensor nicht für einen dauerhaften Betrieb geeignet da dieser dann wohl fehlerhafte Messwerte liefert. Somit ist dieser für eine Überwachung einer Heizungsanlage (Erdgas) oder einer Kraftstoffanlage nur bedingt geeignet.